۱۱ مرداد ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

نیکل و آلیاژهای پایه نیکل (Nickel and Nickel based alloys) در برابر خوردگی و اکسیداسیون بسیار مقاوم هستند و استحکام بالای خود را در دماهای بالا حفظ می‌کنند .

استخراج نیکل

نیکل و آلیاژهای آن (Nickel & Nickel base alloys) که گروهی از آلیاژهای غیرآهنی هستند از دو سنگ معدن مهم زیر استخراج می‌شوند .

  • سنگ معدن‌های سولفیدی (Sulfide ores)
  • سنگ معدن‌های لاتریت (Laterite ores)

معدن نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

بزرگترین منبع نیکل در جهان سنگ معدن سولفیدی درSudbury District, Ontario  کانادا است .

خواص فلز نیکل

در ادامه به برخی از مهمترین خواص فلز نیکل اشاره شده است .

  • مدول الاستیک بالا .
  • خاصیت مغناطیسی و مغناطوکشسانی (Magnetostrictive) خوب .
  • رسانایی الکتریکی بالا .
  • رسانایی حرارتی بالا .
  • قابلیت جذب سطحی بالا : سطح نیکل گازهای هیدروژن ، مونوکسید کربن ، دی اکسید کربن و اتیلن را جذب می‌کند . قابلیت جذب سطحی گازهای خاص نیکل را به یک کاتالیزور مهم تبدیل کرده است .
  • چگالی نیکل برابر با ۸.۹۰۲ g/cm۳ است .
  • و غیره .

انواع نیکل و آلیاژهای پایه نیکل بر اساس ترکیب شیمیایی (Types of Nickel Alloys)

  1. نیکل با خلوص بالا (Pure nickel) .
  2. آلیاژهای حاوی نیکل-مس (آلیاژ نیکل مس یا آلیاژ مس و نیکل) (Nickel-Copper) .
  3. آلیاژهای حاوی نیکل-کروم-آهن (آلیاژ نیکل کروم آهن) (Nickel-Chromium-Iron) .
  4. آلیاژهای حاوی نیکل-آهن-کروم (آلیاژ نیکل آهن کروم) (Nickel–Iron–Chromium) .
  5. آلیاژهای حاوی نیکل-آهن (آلیاژ نیکل آهن) (Nickel–Iron) .
  6. آلیاژهای حاوی نیکل-کروم-مولیبدن (Nickel–Chromium–Molybdenum) .
  7. آلیاژهای نیکل تولید شده با متالورژی پودر Nickel-Powder Alloys (Dispersion Strengthened) (تولید قطعات متالورژی پودر) .
  8. آلیاژهای نیکل تولید شده با آلیاژسازی مکانیکی (Nickel-Powder Alloys (Mechanically Alloyed)) .

عملیات حرارتی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل (Heat Treating of Nickel and Nickel Alloys)

سطح آلیاژهای دارای محتوای نیکل بالا ، همواره در معرض اکسیداسیون قرار دارد ؛ بهمین دلیل عملیات حرارتی این آلیاژها باید در اتمسفر محافظ یا تحت خلاء انجام شود .

روش‌های عملیات حرارتی آلیاژهای نیکل دار شامل آنیل ، تنش زدایی ، محلول جامد ، پیرسختی و یکسان سازی تنش (Stress equalizing) است .

فرآیند آنیل می‌تواند در به شکل بسته (Closed (box) annealing) یا باز (Open annealing) انجام شود .

در فرآیند آنیل باز برای جلوگیری از اکسید شدن از گاز محافظ استفاده می‌شود .

پیرسختی آلیاژهای پایه نیکل

در جدول ۱ به نحوه انجام عملیات پیرسختی برخی از آلیاژهای پایه نیکل پرداخته شده است .

جدول ۱ : انجام فرآیند پیرسختی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل .

WQ: کوئنچ در آب

AC: سرد شدن در هوا

خواص نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

آلیاژهای نیکل دار انعطاف پذیری و شکل پذیری عالی دارند .

ترکیب شیمیایی آلیاژهای پایه نیکل تجاری

در جدول ۲ ترکیب شیمیایی آلیاژهای پایه نیکل مهم آورده شده است .

جدول ۲ : ترکیب شیمیایی آلیاژهای پایه نیکل .

خواص مکانیکی نیکل و آلیاژهای آن

در جدول ۳ خواص مکانیکی برخی از آلیاژهای پایه نیکل آورده شده است .

جدول ۳ : خواص مکانیکی آلیاژهای نیکل .

خواص و کاربرد برخی از آلیاژهای پایه نیکل تجاری در ادامه مطرح شده است .

آلیاژ آلومل (Alomel) گروهی از نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

  • مقاوم به اکسیداسیون

کاربرد : ترموکوپل‌ها .

آلیاژ Duranickel

  • پیرسخت شونده
  • مقاوم به خوردگی

کاربرد : تجهیزات شیمیایی .

آلیاژ هستلوی (Hastelloy)

  • مقاوم به خوردگی
  • مقاومت مکانیکی خوب در دمای بالا مخصوصا آلیاژ هستلوی B

کاربرد : کوره‌ها ، پره توربین ، ترموکوپل و قوطی‌های کربن دهی .

آلیاژ ایلیوم گروه G (Ilium G)

  • مقاوم به خوردگی

کاربرد : تجهیزات شیمیایی .

آلیاژ اینکولوی ۸۰۰ (Incoloy 800) گروهی از نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

  • مقاومت مکانیکی بالا
  • مقاومت خوردگی بالا

آلیاژ اینکولوی ۸۲۵ (Incoloy 825)

  • مقاومت به خوردگی در محیط‌های اکسید کننده و خوردگی تحت تنش SCC

آلیاژ اینکونل ۶۰۰ (Inconel 600)

  • مقاومت به اکسیداسیون عالی
  • مقاومت مکانیکی خوب در دماهای بالا

آلیاژ اینکونل ۶۲۵ (Inconel 625)

  • مقاوم در برابر خوردگی
  • مقاوم در برابر اکسیداسیون

کاربرد : کندانسورها و راکتورهای مورد استفاده در صنایع شیمیایی .

آلیاژ مونل ۴۰۰ (Monel 400)

  • مقاوم به خوردگی
  • مقاوم به حرارت تا دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد

آلیاژ مونل K (Monel K)

  • غیر مغناطیسی
  • مقاومت بالا به لرزش و تنش فشاری

استحکام نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

این آلیاژها استحکام خود را در طیف گسترده‌ای از دماها حفظ می‌کنند . استحکام در دماهای بالا توسط فرآیندهای استحکام بخشی محلول جامد یا پیرسختی حاصل می‌شود .

اکسیداسیون آلیاژهای نیکل دار در دماهای بالا به سرعت باعث تشکیل یک لایه سطحی بین آلیاژ و گاز (هوا) می‌شود . عناصر آلیاژی موجود در این آلیاژها می‌تواند بر روی لایه‌ی اکسیدی تاثیر بگذارد و نرخ اکسیداسیون را کنترل کند . در یک دمای ثابت ، مقاومت در برابر اکسیداسیون تا حد زیادی تابعی از محتوای کروم است ؛ اما اثبات شده است که محتوای نیکل نیز در این امر نقش مهمی ایفا می‌کند . در شکل ۱ تاثیر محتوای نیکل بر اکسیداسیون آلیاژهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده است .

شکل ۱: اثر محتوای نیکل بر اکسیداسیون آلیاژها در هوا . هر چرخه شامل قرارگیری در دمای ۱۸۰۰ درجه فارنهایت بمدت ۱۵ دقیقه و سپس ۵ دقیقه خنک شدن در هوا است .

کرنش سختی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

آلیاژهای پایه نیکل بدلیل ساختار کریستالی FCC ، تحت کرنش سختی سریع قرار می‌گیرند . کرنش سختی خواص کششی و سختی آلیاژها را در دمای اتاق افزایش می‌دهد . عملیات حرارتی پیرسختی موجب افزایش استحکام و سختی آلیاژهای پایه نیکل می‌شود .

شکل ۲ نرخ کرنش سختی برخی از آلیاژهای پایه نیکل و مواد دیگر را با هم مقایسه کرده است . این شکل نشان می‌دهد که با افزایش میزان کار سرد ، سختی مواد افزایش می‌یابد .

شکل ۲ : اثر کار سرد بر سختی .

خوردگی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل (corrosion of nickel and nickel-base alloys)

نیکل مقاومت خوبی در برابر خوردگی جو ، آب‌های شیرین طبیعی ، اسیدهای غیر اکسیدکننده و مواد قلیایی دارد .

خوردگی آلیاژهای نیکل مس

این آلیاژها مقاومت به خوردگی خوبی در برابر اسیدهای غیر اکسیدکننده دارند . آلیاژهای نیکل حاوی ۳۰ تا ۴۹ درصد مس ، مقاومت بالایی در برابر اسید سولفوریک (H۲SO۴) و اسید هیدروفلوئوریک (HF) دارند .

افزودن ۲ تا ۳ درصد مس به آلیاژهای نیکل کروم مولیبدن آهن مقاومت آلیاژ را در برابر اسید کلریدریک (HCl) ، اسید سولفوریک و اسید فسفریک (H۳PO۴) بهبود می‌‌بخشد .

خوردگی آلیاژهای نیکل کروم

وجود کروم در آلیاژهای پایه نیکل مقاومت آلیاژ را در برابر محیط‌های اکسیدی مانند اسید نیتریک (HNO۳) و اسید کرومیک (H۲CrO4) افزایش می‌دهد . علاوه بر این ، کروم باعث افزایش مقاومت در برابر اکسیداسیون آلیاژهای پایه نیکل در دماهای بالا می‌شود .

خوردگی آلیاژهای نیکل آهن

در آلیاژهای پایه نیکل از عنصر آهن به منظور صرفه جویی در هزینه‌ها استفاده می‌شود .

آهن در غلظت‌های بالاتر از ۵۰ درصد مقاومت به خوردگی نیکل را در برابر اسید سولفوریک بهبود می‌بخشد .

خوردگی آلیاژهای نیکل مولیبدن گروهی از نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

مولیبدن مقاومت نیکل در برابر اسیدهای غیر اکسید کننده را افزایش می‌دهد .

آلیاژهای پایه نیکل حاوی ۲۸ درصد مولیبدن ، در برابر محلول‌های غیر اکسید کننده مانند HCl ، H۳PO۴ ، HF و H۲SO۴ (غلظت‌های زیر ۶۰ درصد) مقاومت خوبی دارند .

علاوه بر این ، مولیبدن خوردگی شکافی و حفره‌ای آلیاژهای پایه نیکل را بهبود می‌بخشد .

اثر سیلیسیم در خوردگی آلیاژهای پایه نیکل

سیلیسیم به مقدار بسیار جزئی در آلیاژهای پایه نیکل وجود دارد . هدف از افزودن آن افزایش مقاومت به اکسیداسیون در دماهای بالا است .

اثر کبالت در خوردگی آلیاژهای پایه نیکل

خواص مقاومت به خوردگی کبالت مشابه نیکل است . کبالت باعث بهبود عملکرد آلیاژهای نیکل در دماهای بالا می‌شود .

کبالت خوردگی اتمسفری نیکل و آلیاژهای آن را بهبود می‌بخشد .

خوردگی حفره‌ ای آلیاژهای پایه نیکل

افزودنی‌های کروم و مولیبدن ، خوردگی حفره‌ای آلیاژهای پایه نیکل را کاهش می‌دهند (شکل ۳) .  

شکل ۳ : دمای بحرانی برای ایجاد خوردگی حفره‌ای در آلیاژ  آهن-نیکل-کروم-مولیبدن در محلول نمک حاوی ۴%NaCl + 1% Fe۲(SO۴)۳ + ۰.۰۱ M HCI .

مقایسه مقاومت به خوردگی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل و فولادهای زنگ نزن

آلیاژهای پایه نیکل مانند فولادهای زنگ نزن مقاومت به خوردگی مطلوبی در اکثر محیط‌ها دارند . اما محلول جامد نیکل نسبت به آهن می‌تواند عناصر آلیاژی بیشتری (عمدتا کروم ، مولیبدن و تنگستن) را در خود جای دهد . در نتیجه از آلیاژهای پایه نیکل می‌توان در محیط‌هایی با خورندگی بیشتر استفاده کرد .

ماشینکاری آلیاژهای پایه نیکل

روش‌های ماشینکاری این آلیاژها مشابه آلیاژهای آهنی است . لازم به ذکر است که لبه ابزار برش باید تیز باشد و از هندسه مناسبی برخوردار باشد .

جوشکاری آلیاژهای پایه نیکل (Welding Behaviors of Pure Nickel and Nickel-Based Alloys)

جوشکاری آلیاژهای پایه نیکل نسبتا ساده و مشابه جوشکاری فولادهای زنگ نزن آستنیتی است . اما حساسیت به ترک گرم در آلیاژهای پایه نیکل بیشتر از فولادهای زنگ نزن آستنیتی است .

تمیزکاری (Cleanliness) مهمترین بخش در جوشکاری آلیاژهای پایه نیکل است . در دماهای بالا این آلیاژها در معرض شکنندگی و تردی توسط گوگرد ، فسفر ، سرب و سایر مواد با نقطه ذوب پایین هستند .

این مواد ممکن است در اثر فرآیندهای تولید و ساخت وارد آلیاژ شوند . بعنوان مثال چربی‌ها و آلودگی‌ها ، مایعات برشکاری ، جوهر ، مواد شیمیایی ، روان کننده‌های تجهیزات و غیره عامل ایجاد این مواد در آلیاژهای پایه نیکل هستند .

استفاده از این مواد در حین فرآیندهای ساخت و تولید امری بدیهی است و نمی‌توان مانع آن شد . به همین جهت آلیاژهای پایه نیکل قبل از جوشکاری یا قرار گرفتن در معرض دمای بالا باید حتما تمیزکاری شوند .

تردی محیطی نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

به منظور افزایش مقاومت در برابر تردی محیطی (Environmental embrittlement) از آلیاژهای پایه نیکل بر روی فولادها و فولادهای زنگ نزن استفاده می‌شود .

اما در برخی شرایط دشوار نیکل و آلیاژهای آن نیز دچار تردی و شکنندگی محیطی می‌شوند . ترد شدن این آلیاژها از دو منبع زیر سرچشمه می‌گیرد .

  • تردی هیدروژنی
  • ترک ناشی از خوردگی تنشی یا SCC

بطور کلی افزایش دما حساسیت آلیاژ به SCC را افزایش و حساسیت به تردی هیدروژنی را کاهش می‌دهد .

قطبش کاتدی (Cathodic polarization) منجر به افزایش تردی هیدروژنی و کاهش حساسیت به SCC می‌شود .

قطبش به تغییر پتانسیل در یک واکنش الکتروشیمیایی اطلاق می‌شود .

خوردگی تنشی آلیاژهای پایه نیکل

ترک ناشی از خوردگی تنشی یا SCC در آلیاژهای پایه نیکل در سه موقعیت زیر رخ می‌دهد .

  • محلول‌های هالوژن-یون در دمای بالا
  • آب‌های دما بالا
  • محیط‌های قلیایی دما بالا

تردی هیدروژنی آلیاژهای پایه نیکل

تردی هیدروژنی این آلیاژها می‌تواند به شکل شکست بین دانه‌ای یا کاهش مساحت همراه با شکست از طریق ادغام میکروحفرات (Microvoid coalescent) باشد .

ریخته گری نیکل و آلیاژهای پایه نیکل

در ادامه به برخی از آلیاژهای نیکلی که قابلیت ریخته گری دارند اشاره شده است .

  • آلیاژ D Monel
  • آلیاژ Monel M35-1
  • آلیاژ S Monel
  • آلیاژ Hastalloy X
  • آلیاژ Hastalloy 276
  • آلیاژ Inconel 600
  • آلیاژ Inconel 625
  • آلیاژ Ni Resist (Type D)

کاربردهای نیکل و آلیاژهای آن

کاربردهای نیکل در صنعت

بدلیل مقاومت به خوردگی بالای نیکل و آلیاژهای نیکل ، از آنها در صنایع شیمیایی استفاده می‌شود .

نیکل و آلیاژهای آن مقاومت به خوردگی خوبی در برابر آب‌های مقطر و شیرین دارند . آلیاژهای نیکل و مس مانند ۴۰۰ و R-405 نرخ خوردگی بسیار کمی دارند و در بخش سوپاپ و دیگر اتصالات موجود در سیستم‌های آب شیرین استفاده می‌شوند .

آلیاژهای ۶۰۰ و ۸۰۰ در لوله‌های گرم کننده ی مورد استفاده در تهیه مشروبات الکلی استفاده می‌شوند . زیرا این آلیاژها بدلیل محتوای نیکل بالا در برابر ترک ناشی از خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking) کلرید مقاومت عالی از خود نشان می‌دهند . از آلیاژ ۶۰۰ در مخزن راکتور و خطوط انتقال به منظور دفع مواد زائد تبخیر نشده در فرآیند ساخت مشروبات الکلی استفاده می‌شود .

کاربرد نیکل و آلیاژهای پایه نیکل در صنعت کاغذ و خمیر کاغذ

این محیط‌ها خورندگی بسیار بالایی دارند . بدلیل مقاومت بالای نیکل و آلیاژهای آن ، از آنها در ساخت دستگاه‌ها و ابزارهای مورد استفاده در صنایع کاغذ و خمیر کاغذ استفاده می‌شود .

کاربرد نیکل در باتری

از نیکل و آلیاژهای آن در ساخت باتری‌های لیتیوم یون استفاده می‌شود . باتری‌های لیتیوم یون در انرژی لازم برای حرکت وسایل نقلیه الکتریکی را فراهم می‌کند .

کاربرد نیکل و آلیاژهای آن در پزشکی

از نیکل و آلیاژهای آن بعنوان ابزارها و دستگاه‌های قابل کاشت (دائمی) در بدن استفاده می‌شود . بعنوان مثال از آلیاژهای نیکل در ساخت استنت‌ها (Stents) یا دستگاه‌های تنظیم کننده ضربان قلب استفاده می‌شود .

استنت‌ها ابزارهایی هستند که بطور دائمی در رگ‌ها قرار می‌گیرند تا از بسته شدن آنها جلوگیری شود .

آلیاژهای نیکل و فولادهای زنگ نزن دو گروه مهم از مواد هستند که در ساخت ابزارهای قابل کاشت استفاده می‌شوند .   

کاربرد نیکل بعنوان عنصر آلیاژی

نیکل بعنوان یک عنصر آلیاژی به فولادهای زنگ نزن ، آلیاژهای دما بالا و مقاوم به خوردگی ، آلیاژهای مس و نیکل ، نیکل و نقره و نیکل و آلومینیوم افزوده می‌شود .

نیکل چقرمگی و انعطاف پذیری چدنها را افزایش می‌دهد .

کاربرد نیکل در آبکاری (Electroplating)

حدود ۱۰ درصد از کل تولیدات سالانه نیکل به بخش آبکاری اختصاص می‌یابد .

رسوب الکتریکی یا الکتروپلیتینگ عنصر نیکل بر فلزات و آلیاژها منجر به بهبود خواص مکانیکی و افزایش سختی آنها می‌شود .

کاربرد نیکل در صنعت خودرو

پوشش یا روکش‌های نیکل ، مقاومت به خوردگی قطعات آهن و فولاد مورد استفاده در صنعت خودرو را بهبود می‌بخشد . ضخامت لایه نیکل در این قطعات ۰.۰۰۱۵ تا ۰.۰۰۳ اینچ است .

نیکل و آلیاژهای پایه نیکل (Nickel and Nickel Alloys) در شرایط سخت و دشوار کاری مانند محیط‌های خورنده ، دماهای بالا ، تنش‌های بالا و ترکیب این موارد بسیار مقاوم هستند ؛ بنابراین کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف دارند . مهمترین کاربردهای آلیاژهای نیکل در توربین‌های گازی هواپیما ، کاربردهای پزشکی ، نیروگاه‌های توربین بخار ، سیستم‌های انرژی هسته‌ای و صنایع شیمیایی و پتروشیمی است .

منابع

۱. Handbook of Materials Selection, Edited by MYER KUTZ

۲. http://www.totalmateria.com/article18.htm

۳. https://www.nickel-alloys.net/article/nickel-and-nickel-alloys.html

۴. https://nickelinstitute.org/about-nickel/healthcare/

۵. https://nickelinstitute.org/about-nickel/nickel-in-batteries/

۶. https://nickelinstitute.org/about-nickel/pulp-paper/

۷. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/nickel-alloys

۸. https://www.epcast.com/nickle-base-alloys

۹. https://www.britannica.com/technology/nickel-processing/Extraction-and-refining

۱۰. https://www.totalmateria.com/page.aspx?ID=CheckArticle&site=ktn&NM=32